FreeRTOS多任务切换底层原理详解

云深无际

发布于 2026-01-07 11:52:28

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顿悟了，一下子就顿悟了，其实就是看到 keli 调试的时候有很多的汇编代码，运行的那么快，然后就突然对 FreeRTOS 很有感觉了；就是运行的太快，即使不停的切换我们也没有感觉。

1. 多任务执行的本质

1.1 核心概念

在单核MCU上，多任务并不是真正的并行执行，而是通过快速的任务切换实现的"时间分片"。

1.2 基本原理

对MCU硬件特性来说单核MCU依然是一条指令一条指令按顺序执行；而RTOS通过系统定时器定期中断，保存/恢复任务状态；对用户感知来说由于切换频率极高（通常1ms），用户感觉多个任务在"同时"运行

2. 时间分片机制

2.1 时间分片示意图

时间轴:   |----1ms----|----1ms----|----1ms----|----1ms----|----1ms----|
任务执行: [ 任务A执行 ] [ 任务B执行 ] [ 任务C执行 ] [ 任务A执行 ] [ 任务B执行 ]
中断:     ↑SysTick    ↑SysTick    ↑SysTick    ↑SysTick    ↑SysTick
状态:     [保存A]     [保存B]     [保存C]     [保存A]     [保存B]
          [加载B]     [加载C]     [加载A]     [加载B]     [加载C]

2.2 系统定时器(SysTick)配置

// 典型的SysTick配置
#define configTICK_RATE_HZ           1000        // 1000Hz = 1ms时间片
#define configCPU_CLOCK_HZ           100000000   // 100MHz CPU

// SysTick初始化
SysTick_Config(configCPU_CLOCK_HZ / configTICK_RATE_HZ);  // 每1ms触发一次

2.3 时间片特点

特性	说明
时间片长度	通常1ms，可配置
中断频率	1000Hz（1ms间隔）
切换开销	几十个CPU周期
用户感知	无感知，任务似乎并行运行

3. 任务切换的详细过程

3.1 任务切换四个步骤

步骤1: 系统定时器中断触发

/**
 * @brief SysTick中断处理函数
 * @note 每1ms触发一次，是任务调度的起点
 */
void xPortSysTickHandler(void)
{
    uint32_t ulPreviousMask;
    
    ulPreviousMask = portSET_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR();
    {
        /* 系统节拍计数器递增 */
        if( xTaskIncrementTick() != pdFALSE )
        {
            /* 需要进行任务切换，触发PendSV中断 */
            portNVIC_INT_CTRL_REG = portNVIC_PENDSVSET_BIT;
        }
    }
    portCLEAR_INTERRUPT_MASK_FROM_ISR( ulPreviousMask );
}

步骤2: PendSV中断处理上下文切换

/**
 * @brief PendSV中断处理程序（ARM Cortex-M系列汇编代码）
 */
xPortPendSVHandler:
    /* 1. 保存当前任务的CPU寄存器到任务堆栈 */
    mrs     r0, psp                     ; 获取当前任务堆栈指针(PSP)
    ldr     r3, =pxCurrentTCB           ; 获取当前TCB地址
    ldr     r2, [r3]                    ; 加载当前TCB指针
    stmdb   r0!, {r4-r11}               ; 保存寄存器R4-R11到堆栈
    str     r0, [r2]                    ; 保存新的堆栈指针到TCB

    /* 2. 调用C语言任务调度器 */
    push    {r3, r14}                   ; 保护寄存器
    cpsid   i                           ; 禁用中断
    bl      vTaskSwitchContext          ; 调用任务调度器
    cpsie   i                           ; 启用中断
    pop     {r2, r3}                    ; r2=新TCB地址，r3=返回地址

    /* 3. 恢复新任务的上下文 */
    ldr     r1, [r2]                    ; 获取新任务TCB
    ldr     r0, [r1]                    ; 获取新任务的堆栈指针
    ldmia   r0!, {r4-r11}               ; 从堆栈恢复寄存器R4-R11
    msr     psp, r0                     ; 设置新的堆栈指针

    bx      r3                          ; 返回，继续执行新任务

步骤3: 任务调度器选择下一个任务

/**
 * @brief 任务切换上下文函数
 */
void vTaskSwitchContext( void )
{
    if( uxSchedulerSuspended != ( UBaseType_t ) 0U )
    {
        /* 调度器被暂停，不允许任务切换 */
        xYieldPendings[ 0 ] = pdTRUE;
    }
    else
    {
        /* 记录任务运行时间统计 */
        #if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        {
            ulTotalRunTime[ 0 ] = portGET_RUN_TIME_COUNTER_VALUE();
            if( ulTotalRunTime[ 0 ] > ulTaskSwitchedInTime[ 0 ] )
            {
                pxCurrentTCB->ulRunTimeCounter += 
                    ( ulTotalRunTime[ 0 ] - ulTaskSwitchedInTime[ 0 ] );
            }
            ulTaskSwitchedInTime[ 0 ] = ulTotalRunTime[ 0 ];
        }
        #endif

        /* 检查栈溢出 */
        taskCHECK_FOR_STACK_OVERFLOW();

        /* 选择优先级最高的就绪任务 */
        taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK();

        /* 平台特定的任务切换后处理 */
        portTASK_SWITCH_HOOK( pxCurrentTCB );
    }
}

4. 任务调度算法

4.1 通用算法 vs 硬件优化算法

算法类型	时间复杂度	适用平台	优缺点
通用算法	O(n)	所有平台	兼容性好，但速度较慢
硬件优化	O(1)	支持CLZ指令的ARM	速度极快，硬件加速

4.2 通用任务选择算法

/**
 * @brief 通用任务选择算法（线性搜索）
 */
#define taskSELECT_HIGHEST_PRIORITY_TASK()                               \
do {                                                                     \
    UBaseType_t uxTopPriority = uxTopReadyPriority;                     \
                                                                         \
    /* 找到最高优先级且有就绪任务的队列 */                                 \
    while( listLIST_IS_EMPTY( &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ) != pdFALSE ) \
    {                                                                    \
        configASSERT( uxTopPriority );                                   \
        --uxTopPriority;                                                 \
    }                                                                    \
                                                                         \
    /* 从该优先级的任务列表中选择下一个任务（时间片轮转） */                 \
    listGET_OWNER_OF_NEXT_ENTRY( pxCurrentTCB, &( pxReadyTasksLists[ uxTopPriority ] ) ); \
    uxTopReadyPriority = uxTopPriority;                                  \
} while( 0 )

4.3 硬件优化版本（O(1)时间复杂度）

/**
 * @brief 硬件优化的任务选择算法
 */
#if ( configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION == 1 )

/* 位图操作宏 */
#define portRECORD_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) \
    ( uxReadyPriorities ) |= ( 1UL << ( uxPriority ) )

#define portRESET_READY_PRIORITY( uxPriority, uxReadyPriorities ) \
    ( uxReadyPriorities ) &= ~( 1UL << ( uxPriority ) )

/* 使用CLZ指令快速找到最高优先级 */
#define portGET_HIGHEST_PRIORITY( uxTopPriority, uxReadyPriorities ) \
    uxTopPriority = ( 31UL - ( ( uint32_t ) __CLZ( ( uxReadyPriorities ) ) ) )

#endif /* configUSE_PORT_OPTIMISED_TASK_SELECTION */

4.4 CLZ指令工作原理

/**
 * @brief CLZ指令示例
 * CLZ = Count Leading Zeros（计算前导零个数）
 */

// 示例：假设uxReadyPriorities = 0x00000110 
//       (二进制: 00000000 00000000 00000001 00010000)
//       CLZ(0x00000110) = 28 (前面有28个0)
//       最高优先级 = 31 - 28 = 3

uint32_t uxReadyPriorities = 0x00000110;  // 优先级0和优先级8的任务就绪
uint32_t uxTopPriority = 31 - __CLZ(uxReadyPriorities);  // 结果：uxTopPriority = 8

5. 多任务状态管理

5.1 任务控制块（TCB）核心结构

/**
 * @brief 任务控制块结构定义（简化版）
 */
typedefstruct tskTaskControlBlock
{
    volatile StackType_t    *pxTopOfStack;      /* 栈顶指针 - 必须是第一个成员 */
    ListItem_t              xStateListItem;     /* 状态列表项 */
    ListItem_t              xEventListItem;     /* 事件列表项 */
    UBaseType_t             uxPriority;         /* 任务优先级 */
    StackType_t             *pxStack;           /* 栈底指针 */
    char                    pcTaskName[ configMAX_TASK_NAME_LEN ]; /* 任务名称 */
    
    #if ( configGENERATE_RUN_TIME_STATS == 1 )
        configRUN_TIME_COUNTER_TYPE ulRunTimeCounter; /* 运行时间计数器 */
    #endif
    
    #if ( configUSE_TASK_NOTIFICATIONS == 1 )
        volatileuint32_t   ulNotifiedValue[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
        volatileuint8_t    ucNotifyState[ configTASK_NOTIFICATION_ARRAY_ENTRIES ];
    #endif
    
} tskTCB;

typedef tskTCB TCB_t;

5.2 任务状态定义

/**
 * @brief 任务状态枚举
 */
typedef enum
{
    eRunning = 0,    /* 运行状态 - 任务正在CPU上执行 */
    eReady,          /* 就绪状态 - 任务可以运行，等待调度 */
    eBlocked,        /* 阻塞状态 - 任务等待事件或延时 */
    eSuspended,      /* 挂起状态 - 任务被明确挂起 */
    eDeleted,        /* 删除状态 - 任务已删除 */
    eInvalid         /* 无效状态 */
} eTaskState;

5.3 任务列表管理

/**
 * @brief 任务列表定义
 */

/* 就绪任务列表 - 按优先级分组 */
PRIVILEGED_DATA static List_t pxReadyTasksLists[ configMAX_PRIORITIES ];

/* 延时任务列表 */
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList1;
PRIVILEGED_DATA static List_t xDelayedTaskList2;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxDelayedTaskList;
PRIVILEGED_DATA static List_t * volatile pxOverflowDelayedTaskList;

/* 挂起任务列表 */
#if ( INCLUDE_vTaskSuspend == 1 )
    PRIVILEGED_DATA static List_t xSuspendedTaskList;
#endif

/* 当前TCB指针 */
#if ( configNUMBER_OF_CORES == 1 )
    PRIVILEGED_DATA TCB_t * volatile pxCurrentTCB = NULL;
#else
    PRIVILEGED_DATA TCB_t * volatile pxCurrentTCBs[ configNUMBER_OF_CORES ] = { NULL };
#endif

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原始发表：2025-09-16，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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